从科幻到现实：我们离“心想事成”的世界还有多远？（上）

出品：科普中国

作者：钱昱（中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心）

监制：中国科普博览

世界上大多数源远流长的文明在早期都认为心脏是人类精神的载体，认为感觉与思考的内核位于心脏，而大脑不过是冷却器官。

直到二十世纪前后，随着生理学和解剖学等医疗技术手段的进步，人们才逐渐意识到，大脑才是思维器官，由此人们观念中“想”的载体逐渐从“心”转移到“脑”，但要“成事”，光思考是不行的，还要付诸于实践。

某些技术正在让“心想事成”逐渐成为现实，这种技术你一定听过，就叫脑机接口（Brain-Computer Interface，BCI；又称Brain-Machine Interface，BMI）。而在这项技术里，或许把“心想事成”改为“脑想事成”才更加贴切。

脑机接口概念图

（图片来源：veer图库）

脑机接口实现“脑想事成”

什么是脑机接口？简单来说，它一头连着你的大脑，从纷繁密集的神经元电信号中提取你的想法，另一头连着计算机或机械等外部设备，直接绕过你的身体将想法变为控制信号并进一步执行命令。它不需要依赖你四肢的外周神经和肌肉系统就能直接建立大脑中枢和外部设备之间的直接信息交流。

比如下图中的意念打字，只要你想在电脑屏幕上打一个“hello”，那么脑机接口就能直接从你相关脑区读取信号并在电脑屏幕上打出“hello”，这个过程你只需要“想”，根本不需要敲键盘。

意念打字

(图片来源：SciTechDaily）

那如今的脑机接口技术究竟发展到什么程度了呢？让我们简要回顾下它的历史吧。

1875年英国医生理查德·卡顿（Richard Caton）成功在兔子和猴子脑部记录到自流电流；1924年德国精神病学家汉斯·贝格尔（Hans Berger）第一次在头皮上记录到人脑电信号并将其称为脑电图（Electroencephalogram，EEG）；1973年美国加州大学洛杉矶分校计算机科学家雅克·维达尔（Jacques J. Vidal）正式提出了脑机接口这一概念。

这将近一百年的时间，可以说是人类对于脑机接口技术可行性的探索历程——探索人类能否从大脑中以某种方式获取可用信号并将其转化成有实际意义的输出。

结论当然是：能！

首个脑机接口架构图

(图片来源：参考文献[3])

随后，从1973年到2023年这50年的时间里，脑机接口逐渐从一个科幻的概念一步步转变为现实。

2000年巴西科学家米格尔·尼科莱利斯（Miguel Nicolelis）团队成功让一只猴子通过侵入式脑机接口技术，仅凭借意念就能轻松地控制体外原本不属于它的机械臂。自此进入21世纪以后，脑机接口技术就进入了发展的快车道。

在人类身上开始进行脑机接口实验

灵长类实验成功后，下一步就要在人类身上进行尝试了。

2004年美国团队开展了运动皮层脑机接口的临床实验，顺利实现了用侵入式脑机接口治疗瘫痪病人，使一位四肢瘫痪患者用意念掌控了电视遥控、计算机光标移动和机器臂抓握移动物体的基本技能。

这标志着脑机接口在人身上的临床实验也获得了成功。

2014年，巴西一位下肢瘫痪患者成功用意念控制了机械外骨骼并在世界杯上完成了开球仪式，脑机接口及其配套的仿生外骨骼再一次走进公众的视线。

瘫痪患者成功在世界杯开球

(图片来源：newscientist)

2016年，已经瘫痪卧床十年的患者通过脑机接口技术，成功借助压力转化的电信号刺激大脑特定区域，从而实现了触觉功能。

这说明该阶段的脑机接口除了输出你的想法，还能跨过脊髓给你的大脑重新输入感觉信号，实现了大脑与外界环境的双向交互。

技术爆发期：脑机接口成果大显现

2016年之后，脑机接口整个领域更是进入了技术爆发期，不仅是脑机接口所需电极在材料和形态上的基础研究取得了极大进展，人工智能的高速发展也使得从大脑中采到的信号能被更有效地预处理与应用。

“意念操控”义肢的精度进一步增强。比如2019年约翰斯·霍普金斯大学的一位参与者通过不断适应植入大脑两侧的两个微电极使自己能够同时控制两个假肢。2020年浙江大学团队又使得一名四肢瘫痪者能精准控制外部机械臂和机械手，能够精准完成进食和握手等基本动作。

当然，除了运动辅助治疗方面的进步外，语言恢复领域的脑机接口技术也大放异彩。

2023年6月，我国复旦大学附属华山医院牵头发布了一个适用于汉语的神经网络模型，可从颅内记录中分别解码汉语的词汇音调和基本音节并组合生成语音，通过脑机接口技术帮助音调语言发音障碍或失语症患者把“心声”直接表达出来。

复旦大学附属华山医院研究团队脑机接口成功发表于《Science Adances》

（图片来源：《Science Adances》杂志）

同年8月，美国加州大学旧金山分校研究团队采用了侵入式脑机接口的方式，帮助两名因严重肌萎缩侧索硬化症导致言语不清的患者以较高的准确性和较适中的语速与他人进行交流。

全身瘫痪亦或语言障碍都只是身体上的疾病而已，而目前的脑机接口技术在治疗精神疾病方面也展示了其强大的功能。

2021年，加州大学研究人员通过在重度抑郁症患者大脑中植入神经起搏器缓解了她的重度抑郁症状。

在2020年底，我国某医院成立了“脑机接口治疗难治性抑郁症”的临床研究小组，在抑郁症患者的大脑内植入了具有脑机接口功能的脑起搏器。截至目前为止，已有23位抑郁症患者完成了治疗，抑郁状况平均改善了60%。

结语

脑机接口技术正不断从科幻走向现实，从起初实验室里的动物实验已经迈向了商业化的医疗人体试验了，这种“脑”想事成的技术会带来怎样的未来令人浮想联翩。

当然，当前制约脑机接口技术发展的因素主要还是我们对大脑工作机制的理解不够全面。脑科学算是自然科学里面最复杂、未解之谜最多的领域之一了。

对于脑机接口的研究，还一直在持续中。脑机接口究竟是怎么实现通过“念力”操控物体的？这项技术现在的研究重点在哪里？未来的发展方向是什么？我们将在下一篇文章中与你分享。

参考文献：

[1]Caton, Richard. 'The electric currents of the brain'. British Medical Journal, 2 (1875)

[2]Evarts EV. Relation of pyramidal tract activity to force exerted during voluntary movement. J Neurophysiol. 1968 Jan;31(1):14-27.

[3]Vidal JJ. Toward direct brain-computer communication. Annu Rev Biophys Bioeng. 1973; 2:157-80.

[4]Nicolelis MA, Chapin JK. Controlling robots with the mind. Sci Am. 2002 Oct;287(4):46-53.

[5]Hochberg LR, Serruya MD, Friehs GM, Mukand JA, Saleh M, Caplan AH, Branner A, Chen D, Penn RD, Donoghue JP. Neuronal ensemble control of prosthetic devices by a human with tetraplegia. Nature. 2006 Jul 13;442(7099):164-71.

[6]Liu Y, Zhao Z, Xu M, Yu H, Zhu Y, Zhang J, Bu L, Zhang X, Lu J, Li Y, Ming D, Wu J. Decoding and synthesizing tonal language speech from brain activity. Sci Adv. 2023 Jun 9;9(23):eadh0478.

[7]Scangos, K.W., Khambhati, A.N., Daly, P.M., Makhoul, G.S., Sugrue, L.P., Zamanian, H., Liu, T.X., Rao, V.R., Sellers, K.K., Dawes, H.E., Starr, P.A., Krystal, A.D., Chang, E.F., 2021. Closed-loop neuromodulation in an individual with treatment-resistant depression. Nat Med 27(10), 1696-1700